浅谈我国煤矿顶板灾害防治与监测监控技术

苗磊

山东能源新矿集团新巨龙能源有限责任公司 山东菏泽 274918

随着时代的快速发展，各行各业发展都受到严密监督，尤其是在安全性方面。在煤矿施工过程中，由于地下开采十分复杂，再加上其他方面因素影响与制约，很容易发生顶板事故，相对于煤矿瓦斯爆炸、透水事故，顶板事故的死亡人数较少，但发生频率高、总量大，成为煤矿开采备受关注的事故类型，且顶板事故控制难度大、点多面广，很难有效方法，必须引起相应重视。因此，联系实际分析对现阶段我国煤矿顶板灾害的防治与监测监控技术是十分必要的。

1 煤矿顶板灾害的主要类型

1.1 工作面顶板灾害

目前，煤矿机械化开采在全国范围内已经得到大面积应用-，顶板灾害事故有所减少。然而，对于一些复合顶板、松软煤层、浅埋煤层、坚硬顶板等，虽然也会运用综合机械化设备来完成开采，但顶板灾害事故仍时有发生。从灾害发生的实际情况来看，大致可以分为六种主要类型：①工作面煤壁处冒顶，煤壁松软、割煤高度过大、支架空顶距大等，都是灾害发生的主要原因；②工作面出口冒顶，主要是由于盈利集中度高、设备较多，导致巷道顶板在超前支撑压力的作用下出现被破坏的情况；③地质构造区局部冒顶，在这一区域内煤岩体容易破碎，当工作面穿过构造区时，破碎的煤岩会在构造应力与采动应力的作用下发生冒顶；④复合顶板推垮型冒顶，复合顶板的构成较为复杂，由不同岩性岩层组成，而岩层之间又存在弱面，中间还会夹带煤线、软弱岩层，容易出现离层下沉的情况，当下沉数量达到一定程度以后，就会出现冒落、断裂，当煤层形成的倾斜角过大时，还有可能会引起大面积漏顶，支护体系也会随之失效，引起较为严重的灾害事故；⑤压垮型冒顶，工作面推进方向上存在一些卖身钱、基层薄的平行构造，当支护面强度无法承受时，就会被压垮，形成冒顶；⑥大面积冒顶，在顶板无法承受覆岩层与自身质量时，就会出现大面积断裂垮落的情况，采空区域内的空气、瓦斯会被重力压出，产生较大的冲击力，虽然从性质上来看属于顶板灾害，但是很有可能会诱发瓦斯事故，具有较大的危险性[1]。

1.2 巷道顶板灾害

巷道位置也是顶板灾害发生的主要区域，其中有三个部位最为容易发生事故。首先，掘进工作面，在工作面掘进破煤岩以后，顶部煤岩层会失去控制，并转变为平面应力状态，发生泄压破坏，若是没有及时支护，或者支护强度不够，就会发生冒顶。其次，巷道交岔处，由于交岔点位置存在较大断面，岩层较为松动且范围广，产生集中应力，再加上这一位置支护十分复杂，对稳定性、强度等都有较高要求，容易受到人为、支护体系质量等因素影响产生冒顶。最后，构造区巷道顶板，当其出现破碎或者释放构造应力时，会发生意外下落事故，在煤矿开采、掘进时，施工人员很容易遇到一些不明构造，在没有提前采取有效措施进行加固的情况下，就会发生这一情况，造成一定的人员伤亡情况[2]。

2 煤矿顶板灾害的具体成因

煤炭是社会发展所需要应用到的主要资源，需求量较大，如何在保证安全性的前提下，提高开采效率，也成为现下煤炭企业关注的焦点[3]。煤矿顶板灾害，是发生较为频繁的灾害事故，对企业经济、人员生命安全都会造成严重威胁，主要是由以下几点原因所引起：①现下煤矿作业开采难度大，且工作量、开采规模都呈现不断生生的趋势，对地质结构造成较大影响，覆盖层承重被严重破坏，导致巷道、工作面发生较为严重的变形，甚至出现断裂，进而引起顶板灾害；②在采掘工作面，如碎石破碎带周围的巷道挖掘、工作面，较为容易出现冒顶事故，若是支护作业不到位，锚杆长度、钢网强度、锚喷厚度等，均无法达到相应标准，就无法起到较好的支护作用，难以创造安全的工作环境；③若是在煤矿开采的过程中，没有动态掌握周期来压规律，就盲目进行开采作业，就会对矿井本身造成较大的负面影响，当支架难以支撑岩体、地层重量时，就会引起顶板灾害事故；④煤矿开采本身是一个长时间的过程，且开采具有一定的计划性，当出现开采挖掘滞后、未按照实现计划进度完成开采作业的情况，工作面上方的顶板悬顶时间就会明显增加，工作面所需要承受的压力与阻力也就相应提升，支撑力与顶板压力若是无法均衡，就有可能出现顶板下沉变形、破坏等情况；⑤任何开采作业都是由人来完成的，考虑到矿井下开采的特殊性，对开采技术要求也较为严格，这也就使得人为操作因素，成为顶板灾害的一个重要诱因，瑞思想意识不足、未按照要求进行操作、技术应用不恰当等，都会造成顶板灾害[4]。

3 监测监控技术在煤矿顶板灾害防治中的应用

煤矿顶板灾害受自然环境、人为因素、开采作业实际情况等影响，按照相关要求，所有的开采作业活动，都必须在指定煤层赋存条件下与开采技术的支持下才能进行，但顶板灾害仍然难以有效控制。这是由于开采过程本身不可控，破坏了原本地下较为稳定的地质条件，这些变化是无法进行提前预测的，而原本的支护体系、预防措施也难以发挥作用[5]。因此，还需要采取多种技术手段，对煤矿地质情况进行有效监测与监控，及时调整防范措施，提高煤矿开采安全性。目前，钻探、物探、巷探均是较为有效的地质情况勘探方式，一些大型地质变化很容易被发现，但一些细小的地质异常情况，很难通过常规的探测手段来进行监测。对于围岩、支护体应力、位移变化等的监测，主要是利用顶板矿压监测方法，具有参数多、精度高、在线监测等优势，大多数情况下，监测主要是利用通讯技术，没有将关于矿压与顶板活动规律研究的相关知识应用其中，导致这一监测本身缺少较强的针对性，软件分析能力与矿压理论不相符，主要功能是显示、存储、生成曲线图等，难以动态实时分析，也无法进行精准预测[6]。为了较好的进行针对性监测、预测，开发出了一款KJ21顶板与冲击地压综合监测系统，主要就是针对裁决工作面顶板致灾因素进行监测预警，在实际应用中，主要是依靠工压力传感器，对液压支架工作阻力变化情况进行有效监测，然后对支架状态进行分析，进一步预测顶板来压，防止出现工作面压架切顶事故，巷道为止，会利用传感器测量煤岩体应力、锚杆锚索荷载变化情况等，位移传感器则是负责监测顶板下沉量、离层量等各项数据，整个系统在运行过程中应用了智能化采集模式、矿压数据智能分析模型，充分融合了专业研究领域的相关知识，使得数据监测、灾害预警更为精准，为防范措施制定提供较为详细的参考。

4 煤矿顶板灾害的有效防治措施

基于上述分析，可以了解到顶板灾害具有较大的危险性，类型较多且成因复杂，在引入监测监控技术的基础上，还需采取有效措施进行有效防治，具体如下：

4.1 科学评价并预警顶板危险性

为提高煤矿开采效率与安全性，煤矿企业在开始作业以前，必须对矿井的实际情况进行勘察、评估，对煤层地质有着充分了解，评估安全性，确定那些位置为主要危险区域，制定针对性预防措施。与此同时，还应当充分利用监测监控技术，对工作区、巷道区等的顶板地质变化情况与各项参数进行实时监测，保证各项数据更新的及时性，一旦发现数据异常或者发生较大变化，就会及时发出警报，并调整计划方案，确保人员安全[7]。比如2011年4月某矿6上105-2综放工作面开采初期，发生过多次大面积压架事故，工作面无法正常生产。通过利用KJ21顶板与冲击地压综合监测系统进行动态监测以后，发现数据异常并作出预警，经过分析了解到问题原因主要是由于支架支护强度较低，安全阀长期开启所引起的（如图1），进而引起压架问题，可结合监测预警数据，加快工作面推进速度，以提高支架强度，确保整个工作面始终处于安全工作状态。

图1 工作面推进速度低时压价过程中工作阻力变化

4.2 优化施工方案

施工开采方案是否科学，在一定程度上也会影响导顶板灾害的发生概率，因此还需要从多个层面出发进行综合考量，确认最优施工方案，较好应对突发性地质条件变化与支护体系失效的情况发生，减少顶板事故发生概率。在施工开采方案制定时，应当以裁决工作面开采条件、顶板安全性评估数据等作为参考，详细分析原本施工作业方案中存在的不足，以及新数据所带来的影响，对原本的设计方案进行优化[8]。随着施工开采的不断推进，顶板、地质数据都会发生一定变化，方案设计也应当进行动态调整，以防止突发性顶板灾害事故发生。比如，开采区域布置与挖掘，应该进行交替调整，防止应力过于集中与动压叠加的情况发生，提升支护处理的科学性与可靠性，制定较为严格的顶板灾害监测与预警制度，一旦作出危险预警，就必须对所获取的动态信息进行分析，规避灾害隐患。

4.3 加强顶板灾害事故防控管理

顶板灾害事故应当以预防为主，在各项管理工作中，增加防控管理所占比重，制定清晰的开采操作流程与相关规范，对灾害成因进行详细分析，尽可能避免人为因素对煤矿开采造成影响，减少不必要的安全隐患。一方面，相关技术人员必须做好详细的地质勘察，同时对大块岩石尺寸、位置进行标注，提前制定相关的支护管理举措，较好应对突发性事件；另一方面，应该围绕如何避免发生端头冒顶事故发生提前做好预防措施，科学计算顶板版面承重压力，且在顶部、尾部位置进行煤矿开采时，应当利用三角支架搭棚，进行较好支护，最大限度上减少顶板初始的下城里与支撑力[9]。

4.4 加强支护体系质量检查

支护体系作为防止顶板灾害发生的主要构成部分，其搭建质量将直接关系着顶板是否稳定。为此，应该加强质量检查，确保支护体系的强度、支撑力能够较好满足顶板加工需要。首先，要对支护材料进行检查，选择刚度较好的材料，搭建顶板支护体系，同时充分利用现代检测技术与信息技术，对煤层顶板最大倾斜水平进行测算，探索生产采高点，避免出现采空区域内滑动。其次，对锚杆、锚索、锚网等支护方式，应注意质量检测，完善检测机制，对不合格的材料以及应用方式等要及时总结，并制定完善的质量监控举措，定期开展排查，借助现代信息技术等加强关联研究和定位检索，确保支护体系质量[10]。

5 结语

综上所述，随着我国现代科技的快速发展，各种先进技术应用范围更加广泛。煤矿开采作为煤炭企业经营中的重要项目，由于其开采主要在地下完成，本身具有较大难度与危险性，是各类灾害事故频繁的项目类型。其中，顶板灾害发生就十分频繁，成因较为复杂，还需煤炭企业将监测监控技术有效应用其中，对顶板变化进行动态观察，然后通过科学评价并预警顶板危险性、优化施工方案、加强顶板灾害事故防控管理、加强支护体系质量检查等方式，较好进行顶板灾害防治，避免为企业带来较大的经济损失，最为主要的是减少人员伤亡情况，营造安全的开采氛围，推动行业可持续发展。